文档介绍：《材料成形新技术》
硕士课程论文
课程论文题目: 氧化铝陶瓷凝胶注模成型技术的研究

院系名称: 材料学院专业班级: 2010研究生
学生姓名: 夏琳学号: 20109159
2010年 5月 29日
氧化铝陶瓷凝胶注模成型技术的研究
摘要
凝胶注模成型技术将传统的粉体成型工艺与有机聚合物化学结合,将高分子单体聚合的方法灵活地引入到粉体成型领域中,通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来实现净尺寸成型高强度、高密度均匀坯体。其基本思想是采用具有三维网络结构的高分子物质将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包裹使之原位固定,从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。由于凝胶注模成型技术是通过制备低粘度高固相体积分数的浓悬浮体,可净尺寸成型复杂形状的陶瓷部件,从而获得高密度、高强度、均匀性好的坯体,因此,该论文通过对凝胶注成型技术的基本原理与工艺流程的研究,探讨了氧化铝陶瓷凝胶注模成型的Gelcasting的凝固机理和凝固动力学及其对制品性能的影响因素。
关键词:凝胶注模成型技术氧化铝

陶瓷材料具有高硬度,大的比强度,好的耐磨性和化学稳定性,因此在电子、信息、热机、航天国防和生物医药等相关行业具有广阔的应用前景。但是陶瓷材料也受到了可靠性的限制,可靠性对于先进陶瓷的产业化和商业化具有重要的意义。一般来讲,陶瓷材料的性能取决于内部缺陷,包括气孔、微裂纹、内应力、显微结构与化学成分的不均匀性等,这些缺陷主要来源于陶瓷材料的制造过程,对陶瓷材料的强度、裂纹扩展以及由此决定的使用寿命等性能具有决定性的影响。因此,如何控制内部缺陷成为解决陶瓷材料可靠性的关键[1]。其中成型作为联系粉体和制品的中间环节,对陶瓷材料的性能有着至关重要的影响。
20 世纪90 年代初期,美国橡树岭国家重点实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的JANNEY和OMATETE 发明了一种新的陶瓷成型技术—凝胶注模成型技术。该技术将传统的陶瓷工艺与聚合物化学巧妙地结合起来,是一种新型的制备高品质复杂形状陶瓷件的近净成型技术。

与其他成型技术相比较,凝胶注模成型技术具有一系列的优点:1) 适用范围广,对粉体无特殊要求;2) 可实现近净尺寸成型,制备出复杂形状的部件;3) 坯体强度高,明显优于传统成型工艺所制的坯体,可进行机械加工;4) 坯体有机物含量低;5) 坯体和烧结体性能均匀性好;6) 工艺过程易控制;7) 成本低廉。因此,该成型技术一经提出就成为国内外研究的热点,被应用于制备各种陶瓷部件,特别是制备形状复杂的陶瓷零部件。随着凝胶注模成型技术的不断改进和完善,一系列凝胶体系也被提出,如热可逆凝胶体系等,相应的凝胶形成机理也由最初的化学反应过程拓展为物理反应过程[2]。此外,它已不仅仅作为一种重要的先进陶瓷成型方法,而且应用到了粉末冶金领域,如用于制备镍基合金等。因此,有必要对凝胶注模成型技术的研究与发展进行系统的归纳、分析和总结。

凝胶注模成型技术的基本原理
凝胶注模成型技术将传统的粉体成型工艺与有机聚合物化学结合,将高分子单体聚合的方法灵活地引入到粉体成型领域中,通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来实现净尺寸成型高强度、高密度均匀坯体。其基本思想是采用具有三维网络结构的高分子物质将分散均匀的粉体悬浮液中的颗粒包裹使之原位固定,从而得到具有粉体与高分子物质复合结构的坯体。实际上,凝胶注模的坯体就是一种粉体与高分子有机物的复合材料。该方法的基本原理是在低黏度、高固相体积分数的粉体−溶剂悬浮体中,加入有机单体,然后,通过某种手段如在催化剂和引发剂的作用下或通过加热或冷却[3]等方式使浓悬浮体中的有机单体化学交联聚合或物理交联成三维网状结构,从而使悬浮体原位固化成型。
以丙烯酰胺体系为例,在该系统中,采用丙烯酰胺为有机单体,双官能团,N,N—亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,过硫酸胺为引发剂,根据高分子化学的相关知识,反应历程是:
链引发反应
式(1)式吸热反应,活化能约105-105 KJ/mol,反应速率小。链引发的第二步式初级自由基引发单体的过程,式(2)是初级自由基引发有机单体的反应,式(3)是自由基与交联剂的反应。引发阶段有许多副反应,例如,自由基与阻聚物质发生反应。因此,链引发是聚合反应的关键步骤。
链增长反应
链增长反应即链引发的自由基与单体分子连续发生加成反应,形成三维网状结构。
链终止反应
链终止反应包括耦合反应和歧化反应。
凝胶注模成型的工艺流程
该工艺包括如下几个过程:首先,将粉料和分散剂加入到溶剂(水溶液或非水溶液)中,通